陈 暘,陈立霞,汪正中
(1.中国航空工业集团有限公司 科技发展部,北京 100000;2.中国直升机设计研究所 直升机旋翼动力学重点实验室,江西 景德镇 333001)
直升机水上迫降是指按陆基要求设计的直升机在水面上空飞行,遇到发动机发生故障或燃油用尽,应急降落在水上,机组和乘员安全撤离直升机的过程。水上迫降是保障安全的最后一道防线,是设计中必须首先解决的关键技术问题之一。适航规章[1]和国家军用标准[2]要求在离岸50海里水上使用的航空器,为了保证人员和设备的安全,必须满足水上迫降的要求。
水上迫降适航审定包括四个主要方面:旋翼航空器入水、旋翼航空器漂浮和配平、乘员撤出、乘员救生。漂浮与配平性能应在从零到申请人选定的最高海况范围内进行验证,在临界的重量和重心组合情况下,应有足够的漂浮时间保证人员的安全撤离,而不会发生倾翻。由于直升机的机身较窄,垂向重心较高,直升机在水中稳性不好,在风浪的联合作用下,更容易倾翻,因此必须研究直升机的水中横向静稳性,即研究直升机倾斜后产生恢复力矩以阻止其倾覆的能力。
汪正中[3]采取等排水体积法计算了AC313的水中横向稳性曲线,与试验结果的相关性较好;李磊[4]通过maxsurf商业软件解决了船舶在复杂海况里的漂浮特性难题,分析了测体位置和规则波参数对结果的影响;P.Taylor[5]针对返回舱入水问题提出了一种新的方法,基于有限元模型的返回舱可以快速地旋转到用户自定义的状态,进行迭代计算得出相关的浮力中心和力矩,输出稳定性曲线;王明振[6]采取建模、软件计算和试验三种方法分析了完整稳定性,并将计算结果与试验结果做了相关性分析。20世纪80年代,韦斯特兰航空公司针对EH101型直升机开展了缩比模型漂浮试验[7]。
试验是研究直升机水中横向稳性的重要手段。本文主要介绍了直升机水中横向稳性试验的试验设备、试验件、试验方案及试验步骤,并对试验结果进行了分析。该试验技术可用于直升机缩比模型水中横向稳性试验,为民用直升机的水上迫降适航取证提供技术支持。
直升机水中横向稳性试验主要是测量模型横倾不同角度时的恢复力矩,得出恢复力矩与横倾角之间的关系曲线。当模型(带浮筒)漂浮在平静的水面上时,将模型横倾至指定角度;当模型稳定漂浮在该横倾角度后,记录模型受到的恢复力矩。试验过程中保证模型在垂直方向的漂浮自由与模型的俯仰自由。试验技术要求如下:
1)静稳性试验方案及试验装置应能在规定的一系列滚转角和不影响直升机模型运动状态条件下,测量直升机模型的恢复力矩;
2)测试设备满足测试精度等要求。
根据上述要求,水中横向稳性试验需要研制一套试验装置,试验得出恢复力矩与滚转角之间的关系曲线。模型与水中横向稳性试验装置的安装及坐标定义见图1。试验装置水箱的空间尺寸应能满足模型在安装浮囊后的外形尺寸(及翻滚空间)要求。
为了固定模型的滚转角,在模型重心所在轴线位置设计一根转轴,通过法兰盘与试验转轴相连接。在转轴前段安装分度盘,实现模型滚转角的固定;安装扭矩传感器,测量模型在不同滚转角下的恢复力矩;采用光纤惯导/卫星组合测量系统测量模型姿态角。
为实现模型垂向的自由浮动,在水箱两端开槽,在U型槽设计了直线轴承,可实现模型的自由漂浮。为了消除分度盘、扭矩传感器等设备重量对模型俯仰角的影响,在试验水箱前段设置定滑轮装置,在其另一端加配重,从而抵消测试设备对模型重量及俯仰角的影响。
图1 模型与水中横向稳性试验装置示意图
根据试验方案,研制了试验工装,具体见图2。主要包括模型试验水槽、扭矩传感器、直线轴承、角度分度盘、质量配平装置、主轴、导轨等部分。
图2 横向静稳试验工装
本试验所用测试、测量设备均校验合格,满足试验的要求。主要测试、测量设备的名称、精度和数量见表1。
以某型直升机(安装应急漂浮系统)三维理论外形作为模型外形设计依据,按Froude数进行模拟,从而使模型满足几何相似、运动相似和动力相似,在模型上加装测试设备后,能通过调节配重将模型重量、重心、转动惯量调整至要求的典型状态。
在满足上述相似准则的情况下,依据模型加工的简易性、模型是否有足够的空间安装试验测试设备、配重及试验设施的能力和试验要求等要求,来确定模型缩放比例λ值。试验件最终确定为直升机的1:5缩比模型。
表1 主要测试、测量设备的名称、精度和数量
缩比模型主要包括机体缩比模型和浮筒缩比模型,其参数符合原机按照缩比比例(λ=1/5)关系换算后的结果,模型重量、重心及转动惯量见表2,模型外形见图3。
1)按照试验状态要求,对模型重量、重心和转动惯量进行调配,填试验记录表;
2)将模型与水中横向稳性试验设备连接;
3)调整模型的滚转角至设定值,并使其自由漂浮于水面,接通数据采集系统,采集数据,手工记录扭矩传感器恢复力矩值;
4)保存(记录)试验数据,并生成曲线;
5)改变模型的滚转角,按3)、4)进行下一个状态的试验,直至完成所有要求滚转角的试验;
6) 打捞模型,退回试验准备场地;
7)检查模型,更改模型的试验状态,重复步骤1)-6)条进行试验。
表2 模型重量重心及转动惯量
图3 模型实物
水中横向稳性试验中滚转角定义为:从机尾向机头看,顺时针转动为正。试验数据进行了滤波处理,滤波频率为50Hz。测试参数为时间(s)、恢复力矩M(N·m)、俯仰角θ(°)、滚转角φ(°)、试验水温t(℃)。
水中横向稳性试验状态见表3,各试验状态对应的恢复力矩变化曲线见图4。
由图4可知,两个试验状态下,均在20°左右,模型恢复力矩达到极值,约为180N·m左右。试验1恢复力矩与滚转角基本呈反对称关系,模型右倾恢复力矩大于左倾恢复力矩,这是由于模型重心偏左所致。试验2恢复力矩与滚转角不呈反对称关系,模型左倾恢复力矩的绝对值大于右倾恢复力矩,这是由于气囊单隔舱失效,左侧气囊体积减小导致的。在滚转角-10°~10°之间,恢复力矩与滚转角基本呈线性关系,说明气囊是否隔舱失效对小滚转角下的恢复力矩影响不大。
表3 静稳性试验状态
图4 不同试验状态恢复力矩变化曲线
本文系统地介绍了水中横向稳性试验的具体试验方案和试验过程,对试验结果进行了分析,可得到以下结论:
1)某型直升机恢复力矩的最大值在滚转角20°左右,恢复力矩最大值与模型横向重心有关;
2)完整状态某型直升机的恢复力矩与滚转角基本呈反对称关系;
3)气囊隔舱失效对小滚转角(绝对值小于10°)下的恢复力矩影响不大;
4)该试验技术可用于直升机模型水中横向稳性试验。